黑洞是宇宙中最迷人的天體之一，但同時(shí)也是最難以捉摸的，它們異常致密，以至于光都無法逃脫。為了進(jìn)一步研究黑洞背后的秘密，科學(xué)家們轉(zhuǎn)向了一個(gè)新興的領(lǐng)域：引力波天文學(xué)。

　　引力波是超大質(zhì)量天體造成時(shí)空的扭曲或者“漣漪”。在 2015 年，天文學(xué)家第一次用激光干涉引力波天文臺(tái)(LIGO)探測(cè)到引力波。這次引力波是由一組雙黑洞系統(tǒng)(兩個(gè)互相環(huán)繞的黑洞)劇烈地相撞形成的。

Credit：MIT News

　　激光干涉引力波天文臺(tái)，每一個(gè)都帶有兩個(gè) 4 千米長(zhǎng)的臂并組成L型，它們分別位于相距 3000 千米的美國(guó)南海岸 Livingston 和美國(guó)西北海岸 Hanford。每個(gè)臂由直徑為 1.2 米的真空鋼管組成。

　　范德堡大學(xué)天體物理學(xué)家、該項(xiàng)目的主編卡蘭·賈尼(Karan Jani)向媒體介紹：“剛加入 LIGO 時(shí)，我就意識(shí)到之前用廣義相對(duì)論模擬黑洞模型的經(jīng)驗(yàn)可以應(yīng)用到中等質(zhì)量黑洞的搜尋當(dāng)中。”

　　中等質(zhì)量黑洞介于超大質(zhì)量黑洞(超過太陽的一百萬倍)和恒星級(jí)黑洞(質(zhì)量相對(duì)較小，太陽質(zhì)量的5-50 倍)之間。“中等質(zhì)量黑洞對(duì)于開創(chuàng)引力波天文學(xué)的十年有著特殊的含義。從我們已知的天體中， 它們所釋放的引力波最容易被 LIGO 和 LISA (激光干涉空間天線)探測(cè)到。通過這兩種方法，我們能夠監(jiān)視宇宙中近乎所有的中型雙黑洞系統(tǒng)。”

中等質(zhì)量黑洞是宇宙中最難判斷的天體之一。Credit：中國(guó)數(shù)字科技館

　　但是，天文學(xué)家們還未能直接探測(cè)這些中型黑洞。他的方法是通過黑洞所釋放出的引力波中不同的振動(dòng)頻率來研究它們的活動(dòng)。正如交響樂團(tuán)演奏時(shí)的聲波擁有不同頻率，黑洞所釋放出的引力波也存在不同的頻率，有些頻率的帶寬極大，有些卻相對(duì)較小。在引力波研究的下一個(gè)階段，我們的目標(biāo)將是捕捉不同頻率的信號(hào)來聽一首來自黑洞的“完整樂曲”。

　　中型黑洞也被認(rèn)為是超巨型黑洞的種子。舉個(gè)例子，黑洞通?？客淌善渌诙磥?ldquo;成長(zhǎng)“。在黑洞周圍會(huì)形成一圈被捕捉的物質(zhì)，也就是吸積盤，強(qiáng)大的引力會(huì)吸引住周圍的氣體、恒星、甚至是另一個(gè)黑洞。任何物質(zhì)在太過靠近時(shí)會(huì)掉入事件視界，就此永久留在黑洞里而無法逃逸。每當(dāng)中型黑洞將另一個(gè)黑洞困在自己旁邊時(shí)，其引力場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)，LIGO 因而能夠通過這一擾動(dòng)來判斷發(fā)生的事件。

雙黑洞系統(tǒng)引力波示意圖。

　　由歐空局和美國(guó)宇航局合作的 LISA 預(yù)計(jì)將于 2034 年發(fā)射，將會(huì)是第一個(gè)搜尋引力波的太空探測(cè)器。LISA 的任務(wù)是探測(cè)并對(duì)低頻率的引力波進(jìn)行精確測(cè)量。這種程度的測(cè)量是地球上所不能進(jìn)行的。在地球上，即使是一輛路過的車輛所引起的震動(dòng)都會(huì)影響探測(cè)器的準(zhǔn)確性。通過 LISA，我們可以在中型黑洞撞擊的幾年前就開始監(jiān)視，這種引力波是直接由事件視界外時(shí)空扭曲造成的。與無線電波或X射線不同的是：引力波所傳遞的信息在穿行數(shù)光年的途中不會(huì)丟失一分一毫。

　　因此，在結(jié)合了 LIGO 觀測(cè)的高頻段引力波以及后續(xù) LISA 測(cè)量的低頻段引力波信息，科學(xué)家們有希望填充當(dāng)前對(duì)黑洞認(rèn)知的空白。

　　引力波的提出可以追溯到牛頓時(shí)期。在提出萬有引力后，人們發(fā)現(xiàn)經(jīng)典物理所形容的引力似乎是一種超距作用，然而超距作用并不能說服科學(xué)家們，因而拉普拉斯率先提出，引力是通過引力場(chǎng)傳播的。

　　時(shí)間來到十九世紀(jì)，大名鼎鼎的麥克斯韋方程組問世，預(yù)測(cè)了電磁波的存在還證實(shí)了電磁波是有速度的(光速)，因此電磁力并非是超距作用。那么，正如電磁力是由電磁場(chǎng)傳播的，而電磁場(chǎng)(電荷)的震蕩會(huì)形成電磁波，引力也是由引力場(chǎng)傳播的，那么物質(zhì)的振蕩是否也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的“引力波”。至此，引力波的概念正式形成。

　　此后，經(jīng)典物理幾乎再也沒有用武之地，因?yàn)榕ｎD時(shí)代的質(zhì)量和能量并不能劃等號(hào)，能量守恒和質(zhì)量守恒是兩個(gè)分開的定律。人們可以理解電磁波的原因是因?yàn)殡姳旧砭褪悄芰?，能量的振蕩產(chǎn)生攜帶能量的電磁波，邏輯上來講沒什么問題。但是突然說物質(zhì)的振蕩也能產(chǎn)生攜帶能量引力波，這就很難想象。

　　1905 年，愛因斯坦提出狹義相對(duì)論，提出質(zhì)能等價(jià)，再次為引力波的存在提供了可能。十年過去后，愛因斯坦再次提出了一個(gè)可以共同描述物質(zhì)和質(zhì)量的場(chǎng)方程，這就是廣義相對(duì)論。從此以后，理論上的引力波徹底定義完成，但是在實(shí)驗(yàn)上真正探測(cè)到引力波卻得等到 100 年后的 2015 年，在數(shù)代人的努力之后，LIGO 終于在 2015 年 9 月 14 號(hào)采集到了 13 億光年外兩個(gè)黑洞合并時(shí)所產(chǎn)生的引力波。

　　再回到引力波本身上，在各種宇宙射線和輻射中，為何只有引力波能夠突圍而出呢?正如前面所說，物質(zhì)的振蕩產(chǎn)生攜帶能量的引力波，但是物質(zhì)原本情況下是沒有動(dòng)能或勢(shì)能的，這看上去好像不符合能量守恒。這就是狹義的偉大之處，正是因?yàn)橘|(zhì)能統(tǒng)一，引力波所攜帶的能量其實(shí)是運(yùn)動(dòng)時(shí)物質(zhì)所損失的質(zhì)量(物質(zhì)振蕩時(shí)會(huì)損失一定的質(zhì)量，但是振蕩幅度必須足夠大才能產(chǎn)生足以被探測(cè)到的質(zhì)量丟失)，所以引力波恰恰是能量守恒的產(chǎn)物。

　　由此，在 13 億年前，一個(gè)質(zhì)量為 29 個(gè)太陽質(zhì)量和一個(gè)質(zhì)量是 36 個(gè)太陽質(zhì)量黑洞在不斷接近的過程中高速繞對(duì)方旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的物質(zhì)劇烈振蕩，最終合并成一個(gè) 62 個(gè)太陽質(zhì)量的大黑洞，而 3 個(gè)太陽質(zhì)量的能量通過引力波的形式傳播，經(jīng)過 13 億年的旅程來到地球，才被精密度極高的 LIGO 探測(cè)到。
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